复合材料的超声检测技术_周正干

新视点NEWVIEWPOINT70航空制造技术·2009年第8期复合材料的超声检测技术*UltrasonicTestingTechnologiesforComposites无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学）周正干向上魏东高翌飞北京航空航天大学无损检测与机电工程研究所随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右，新一代战斗机将达到40%；直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～80%左右，甚至出现全复合材料飞机。复合材料及其构件开发与应复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了严峻的挑战。经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟的复合材料无损检测方法之一。由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。周正干博士，教授。主要研究方向为无损检测及计算机测控技术等。曾获原航天工业总公司科技进步二等奖，发表论文70余篇。用的迅速发展，对无损检测技术提出了严峻的挑战。经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟的复合材料无损检测方法之一。由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。超声检测在复合材料研究及其制造中的应用复合材料无损检测主要应用于以下3个方面：材料无损检测；结构无损检测；服役无损检测。材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究，其检测对象主要是试样、试片。结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等，检测的对象是各种装机应用的工程结构件。服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机后的各种服役结构件。大量的研究和应用表明，超声检测是目前对于复合材料最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出*无损检测技术教育部重点实验室开放基金、北京市教育委员会共建项目资助。NEWVIEWPOINT新视点2009年第8期·航空制造技术71复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。下表给出了几种常见复合材料超声检测技术的特点。复合材料制品超声检测方法1超声C扫描检测技术超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、B型显示和C型显示。A型显示是基础，其他两种显示方式均由A型显示的数据重建得到。其中，C型显示是一种在一定深度探测的显示方式，图像上的纵、横坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、横坐标，所以C型显示的结果是与扫描平面平行的一幅截面图像，并作为最常用的显示结果提供给最终用户。超声C扫描是具有C型显示功能的探伤方法，在宏观缺陷检测中，常用频率为0.5～25MHz的探头，采用脉冲反射法进行检测。超声C扫描由于显示直观，检测速度快，已成为大型复合材料构件普遍采用的技术。目前C扫描检测技术能够清晰地检出复合材料结构中体积分布类缺陷。K.Lemster在研究金属基复合材料的机械性能时，使用超声C扫描对材料内部的均匀性和裂纹进行了检测。国内魏勤等人利用超声C扫描对碳化硅颗粒增强铝基复合材料试样进行了检测，可以清晰地看出材料中的团聚和孔洞。浙江大学王艳颖针对大型非对称复合材料构件提出了一种超声C扫描检测方法，该方法集机器人、反求工程、超声成像、超声信号处理等多学科技术于一体，实现了实时检测时对构件曲面跟踪和灵敏度实时补偿的功能。吴瑞明采用多传感器信息融合技术，通过仿形测量和重建模型的方法实现了复合材料超声C扫描的一般过程，准确检测出了复合材料的缺陷。但如要求有更精确的复合材料定量检测技术，特别是对于新型复合材料，如缝编结构及陶瓷基复合材料等，要了解和掌握这类材料内部缺陷的分布情况和含量，常规的C扫描往往难以胜任。2超声导波检测技术导波是指由于介质边界的存在而产生的波，在介质尺寸跟声波波长可比的情况下，介质中的波以反射或折射的形式与边界发生作用并多次来回反射，发生纵波与横波间的模态转换，形成复杂的干涉，呈现出了多种传播形式，形成各种类型的导波。导波本质上还是由纵波、横波等基本类型的超声波以各种方式组成的。导波的主要特性包括频散现象、多模式和传播距离远。超声导波检测是一种快速大范围的初步检测方法，一般只能对缺陷定性，而定量是近似的，对可疑部位仍需要采用其他检测方法才能作出最终的评估。由于导波检测具有快速方便的应用特点，目前已成为超声检测领域研究的热点。T.Kundu采用Lamb波扫描了复合材料的缺陷，建立了线扫描方法和缺陷成像技术。K.Maslov研究了5层纤维增强复合材料中使用漏Lamb波检测内部缺陷的模式选择方法，把应力和位移的变化作为是否存在缺陷的判别依据。N.Toyama研究了复合材料横向裂纹和分层缺陷对S0模式Lamb波速度的影响。T.R.Hay分析了复合材料蜂窝结构中导波的传播，使…复合材料常用超声检测技术的特点超声检测技术技术特点超声C扫描检测显示直观，操作简便，可用于定量分析超声导波检测使用线扫描方式，检测速度快，多用于定性检测空气耦合超声检测无需使用耦合剂，可实现非接触检测激光超声检测可实现远距离检测，具有较高分辨力相控阵超声检测电子聚焦，可对形状复杂构件进行快速扫查非线性超声检测对微观缺陷十分敏感，可用于寿命预测GE公司飞机复合材料结构件超声波水浸探伤系统（超声C扫描）新视点NEWVIEWPOINT72航空制造技术·2009年第8期用GuidedUltrasonics公司生产的应力波分析仪对蜂窝板的脱粘缺陷进行了检测。法国M.Castaings等人用Lamb波对EADS-ASTRIUM公司的高压复合材料油箱进行健康监测，激发了识别为A0模式的Lamb波，在传播过程中对碳纤维环氧体复合材料的微裂纹较为敏感，试验结果有很好的信噪比，为使用中的高压复合材料油箱提供了无损健康监测的可能性。M.Castaings等人还在玻璃环氧体复合材料中激发了Lamb波和SH导波，研究了不同模式下的相速度的变化，获得的结果与理论有良好的一致性。国内如北京工业大学、同济大学等研究机构的主要精力集中在大型板壳、管道、铁轨等方面，其中部分产品已投入实际使用。北京航空航天大学无损检测研究室开展了大型复合材料板壳粘接质量的超声导波检测技术研究，对铝蒙皮蜂窝板的脱粘缺陷进行了导波线扫描检测。3空气耦合超声检测技术传统超声无损检测方法由于需要使用耦合剂，无法适用于某些航空航天用复合材料构件的检测，主要原因是耦合剂会使试样受潮或变污，且有可能渗入损伤处，这会严重影响构件的力学强度和稳定性。非接触空气耦合超声检测方法是解决这个问题的可行途径之一。空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非接触超声检测方法，它可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进行快速扫描。另外，空气耦合超声检测容易实现纵波到横波、板波和瑞利波等的模式转换，而研究结果表明，在复合材料检测中，横波、板波和瑞利波比纵波的灵敏度高，空气耦合超声检测的这一优点有利于实现复合材料的检测和材料特性的表征。目前，国外已开始将空气耦合超声检测技术用于某些复合材料板的检测，可以检测出脱粘、脱层、气孔、夹杂和纤维断裂等缺陷，可以解决传统液体耦合超声检测方法不能解决的问题。但是，空气耦合超声检测的信号衰减很大，声阻抗较高的材料很难实现在线检测，必须采用特殊机制来改进，而且采用脉冲回波法进行检测的难度较大，多数采用穿透法检测和斜入射检测。立陶宛考纳斯科技大学的Kazys等人采用斜入射同侧检测方式，研究了航空用复合材料垂直结构蜂窝板中A0模式Lamb波的板边回波特性，由于损伤区域有很强的能量泄漏，所以可用于检测脱粘和结构损伤等缺陷，并估计其大小。波兰格坦斯克科技大学的Imielinska等人采用空气耦合探头和穿透式超声C扫描技术对多层聚合体复合材料的冲击损伤进行了检测研究，与X射线检测结果比较后表明，该方法更快、更方便、更准确，且可用于检测一些X射线无法检测的材料。美国爱荷华州立大学无损检测中心的HSU和印度GE全球研究中心的Kommareddy等合作，利用压电陶瓷空气耦合换能器，开展了复合材料零部件的缺陷检测和修复评价的研究工作，并研制了相应的空气耦合超声扫描系统，在飞机零部件阵地探伤中得以使用；英国伦敦大学的Berketis等人利用空气耦合超声检测方法对潜艇用玻璃纤维增强型复合材料的损伤和退化进行了检测和评价，获得了用水耦合超声检测方法得不到的效果。丹麦国家实验室的Borum与丹麦工业大学的Berggreen等人合作，利用空气耦合超声波，采用穿透法，对海军舰艇用层状叠合复合材料板进行检测，结果显示，该方法可以检测出上述材料板中的脱粘。4激光超声检测技术激光超声是目前国内外研究最活跃的非接触超声检测方法之一。它利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，在物体内部产生超声波。激光超声检测可分3种：一种用激光在工件中产生超声波，用PZT等常规超声探头接收超声波进行检测；另一种用PZT等常规超声波探头激励超声波，用激光干涉法检测工件中的超声波；还有一种用激光激励超声波，并用激光干涉法检测工件中的超声波，此法是纯粹意义上的激光超声检测技术。超声波的激励或探测可通铝蒙皮蜂窝板检测系统三维扫描架运动控制卡脉冲发射接收仪超声换能器工控主机数据采集卡显示器C型显示A型显示一种典型的超声C扫描系统NEWVIEWPOINT新视点2009年第8期·航空制造技术73过激光进行，不需要耦合剂，因而可实现远距离非接触检测，检测距离可从几十厘米到数米。所激发的超声波具有很宽的频带，从几百kHz到几GHz，可用于薄膜测量分析等一些特殊应用场合。而且探测激光可聚焦到非常小的点，可实现高达数微米的空间分辨力。此外，激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导波，是试验验证各种复杂媒质中声传播理论的有效手段。近年来，已发展成超声学中的重要分支，并在激光超声信号的激发与接收、传播以及应用等方面取得很大进展。激光超声检测的快速、远距离和高分辨力等特性适用于常规压电检测技术难以检测的形状结构较复杂或尺寸较小的复合材料以及材料的高温特性等研究，如飞机上各个部件的定位和成像等。加拿大A.Blouin用激光超声研究了蜂窝芯复合材料的分层、脱粘等缺陷。美国洛克希德·马丁公司开发了LaserUT激光超声检测系统，在检测F-22复合材料构件时获得了清晰的B扫描、C扫描图像，不需要任何特殊夹具，检测时间大大缩短，达到了传统超声无法达到的效果。国内钱梦騄等在激光超声的特性和检测各种材料的力学特性方面进行了大量的研究。刘松平研究了碳纤维增强树脂基复合材料中常见缺陷的激光超声信号特性与缺陷识别评估方法。利用激光发射-超声接收检测系统有效地提取了反映复合材料中缺陷的声波信息，并可进行缺陷的判别，确定缺陷的性质。尽管激光超声在复合材料检测中取得了很大的进展，但现阶段仍存在2个主要问题：一个是光声能量的转换效率较低；另一个是激光超声信号微弱，需要提高检测灵敏度。适当增大激光的能量，可提高激光超声信号强度。但当能量增大到一定程度时，又容易将材料的表面灼伤。因此，揭示激光发声机理、提高光声转换效率及其检测灵敏度已成为激光超声研究的3个主要方向。5相控阵超声检测技术相控阵超声检测技术是一种多声束扫描成像技术，它所采用的超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加，形成不同的声束。相控阵超声探头由晶片阵列组成，各声束相位可控，可用软件控制聚焦焦点，不